刻蚀技术

现在集成电路制造所用硅片线宽进一步减小。 进入亚微米时代，如何利用干法刻蚀进一步解决刻蚀 中的技术难点，即各向异性、选择性和刻蚀速率达到 最佳状态，引起人们关注。 上世纪末，在国际上出现了一些新的干法刻蚀 机，主要有日本的电子回旋共振式干法刻蚀和美国的 感应耦合式等离子干法刻蚀，这二者均为高密度等离 子刻蚀设备。干法刻蚀设备近几年内又出现了单片多 室的结构形式，在大规模生产集成电路的过程中起到 了重要的作用，未来的几年内将会得到迅速发展。
半导体常用刻蚀工艺
报告人：高大永
什么是刻蚀？
用物理的、化学的或同时使用化学和物 理的方法，有选择地把没有被抗蚀剂掩蔽的 那一部分 材料去除，从而得到和抗蚀剂完全 一致的图形。
刻蚀种类:
干法刻蚀：利用等离子体将不要的材料去除（亚
微米尺寸下刻蚀器件的最主要方法） 湿法刻蚀：利用腐蚀性液体将不要的材料去除
IBE刻蚀特点
方向性好，各向异性，陡直度高 分辨率高，可达到0.01μm 不受刻蚀材料限制（金属or化合物，无机物or
有机物，绝缘体or半导体均可） 刻蚀过程中可改变离子束入射角θ来控制图形 轮廓 加工过程中，损伤比较严重 加工精度.被刻蚀材料种类 B.离子能量 C .离子束流密度 D.离子束入射角度
经过深槽刻蚀的硅片，由于其深宽比 特别大，普通的清洗方法很难将表面的附 着物清洗掉。可以采用化学清洗和兆声波 清洗相结合的方法。清洗时，在传输介质 中形成超音速的流体冲击波，以高速的流 体连续冲击硅表面，使硅表面的污染物和 颗粒被强制除去，并进入清洗液中。
增强反应离子刻蚀（MRIE）
MRIE是改进型的RIE刻蚀，目的是增 强了离子能量，它在RIE反应室周围增加了 磁场成90度的磁铁，使电子在磁场的作用 下成螺旋状行进，增加了与气体分子碰撞 的机会，增加等离子密度，提高刻蚀速率。
反应等离子刻蚀（RIE）
RIE 是在平板式反应器(PE)的基础上使阴 极与阳极的面积比为2-3：1，加工的硅片放在 阳极板上，被激励的等离子体与阳极板表面形 成偏压加速正离子溅射相结合进行刻蚀，反应 离子刻蚀中以物理溅射为主，兼有化学腐蚀。
为了获得高度的各项异性，通常利用 侧壁钝化技术，即在刻蚀露出的侧壁上形 成聚合物或二氧化硅保护膜，使侧壁不受 刻蚀。这种刻蚀有着比较好的各项异性， 但刻蚀速率要低些。
RIBE是改进的离子束刻蚀（IBE）.它 采用加入离子源的气体代替惰性气体，通 过栅电极从等离子体中萃取离子形成离子 束，避免了硅片与等离子的直接接触。 栅电压是可以调节的，来控制离子能量。 通过控制等离子体的电离程度来控制离子 束密度，从而控制刻蚀速率。
在以上几种刻蚀中，物理溅射作用越高，侧 向刻蚀越小，各向异性越好，但是刻蚀速率低； 而化学刻蚀作用的影响恰恰相反。 目前，干法刻蚀的理想特征是：离子平行入 射，以产生各向异性；反应性的离子，以提高选 择性；高密度的离子，提高刻蚀速率；低的入射 离子能量，减轻对硅片的损伤。 反应离子刻蚀是目前最为普遍的应用，其次 是平行电极型等离子刻蚀。
IBE相关刻蚀数据
离子能量：350eV
离子能量：300eV
由于IBE刻蚀对材料无选择性，对于那 些无法或者难以通过化学研磨、电介研磨 难以减薄的材料，可以的通过IBE来进行减 薄。另外，由于离子束能逐层剥离原子层， 所以具有的微分析样品能力，并且可以用 来进行精密加工。
反应离子束刻蚀（RIBE）
不同刻蚀工艺所使用的化学药品
为什么针对不同的刻蚀工艺选择不同 的化学药品？
选择合适的气体组分，不仅可以获得理想 的刻蚀选择性和速度，还可以使活性基团的寿命 短，这就有效地抑制了因这些基团在薄膜表面附 近的扩散所能造成的侧向反应，大大提高了刻蚀 的各向异性特性。
利用RIE进行硅沟槽的刻蚀 当器件尺寸缩小时，晶片表面用作隔离 DRAM存储单元的存储电容和电路器件间 的区域也会相对减少这些表面隔离区域可 用硅晶片的深沟槽刻蚀，在填入适当的介 质或导体物质来较少其所占的面积。
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例如在刻铝过程中发生如下反应： 2Al+3Cl2→2AlCl3 Cl2在刻蚀开始时较多，在刻蚀过程中因 与铝反应而减少，在刻蚀结束时又增加，因 此监控, Cl2的变化，就有如图4 的记录。如 果监控反应生成物AlCl3就得到如图5所示曲 线，因为在刻蚀开始时没有AlCl3，在刻蚀过 程中产生，刻蚀终点时又消失。
离子束刻蚀（IBE）
离子束刻蚀是利用具有一定能量的离子轰击材 料表面，使材料原子发生溅射，从而达到刻蚀目的. 把Ar、Kr或Xe之类惰性气体充入离子源放电室 并使其电离形成 等离子体，然后由栅极将离子呈 束状引出并加速，具有一定能量 的离子束进入工作 室，射向固体 表面撞击固体表面原子，使材料 原 子发生溅射，达到刻蚀目的， 属纯物理过程。
干法刻蚀工艺特点：
a.各向异性好 b.良好的刻蚀选择性; c.合适的刻蚀速率； d.好的片内均匀性 e.工艺稳定性好，适用于工业生产
平行电极等离子刻蚀（PE） PE 是比较早期的刻蚀方法，腐蚀气体 分子在高频电场（标准工业频率13.56MHz） 作用下，发生电离形成辉光放电，产生等 离子体，利用离子与薄膜间的化学反应， 生成挥发性物质，由真空抽走，达到刻蚀 的目的。 这种刻蚀速率较快，但各相异性差。 适用于微米级线宽刻蚀。
一个RIE的工艺包括以下六个步骤: 分离：气体由等离子体分离为可化学反应的元素； 扩散：这些元素扩散并吸附到硅片表面； 表面扩散：到达表面后，四处移动； 反应：与硅片表面的膜发生反应； 解吸：反应的生成物解吸，离开硅片表面； 排放：排放出反应腔。
RIE的优点： A.可以容易地开始和结束， B.对硅片上温度的微小变化不是那么敏感 C.等离子体刻蚀有很高的各向异性
为了能够精确地控制刻蚀过程，刻蚀 终点的检测是很重要的。实际生产中，在 达到刻蚀终点后，适当的过刻是必不可少 的。具体刻蚀时间取决于被刻蚀层厚度的 均匀性、刻蚀工艺的均匀性、硅片的表面 情况等。设备上常用的终点检测方法有激 光干涉法和光学发射光谱法
激光干涉法适用于薄的透明层的刻蚀过程。 激光束入射在被刻蚀层的表面，在被刻蚀层上 表面及下表面的两束激光产生干涉。干涉后的 激光束强度对刻蚀过程中膜层厚度的减薄产生 周期性的变化，周期性发生结束，表明刻蚀终 点。刻蚀速率可由公式下面公式算出，
/ 2nT
为激光波长，n为被刻蚀层的折射率，
T为一个周期
光学发射光谱法是通过检测刻蚀过程 中刻蚀剂物质或刻蚀生成物质的发射光谱 强度的相对变化来判断刻蚀终点。 在等离子体中，电子被激发到较高的 能量状态，当电子回落到原来状态时就会 发出光，并且每一种原子、分子、离子或 原子团具有唯一属于它们自己的光波长。 我们要把需要的光送到光电二极管，把光 信号转变成电信号，信号强度的变化就反 映了相应该波长的物质相对变化。